ＡＶＳ數(shù)字視頻解碼中反量化／反變換的ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)

摘 要：介紹了一種基于FPGA的AVS標(biāo)準(zhǔn)視頻部分反量化/反變換算法的實(shí)現(xiàn)。采用高效的全硬件實(shí)現(xiàn)方法，提出了各模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：AVS；反量化；反變換；FPGA

中圖分類號：TP37文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198（2008）03-0293-01

1 引言

近年來世界上產(chǎn)生了許多數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，AVS是我國第一個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻解碼標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)字音視頻設(shè)備與系統(tǒng)提供高效經(jīng)濟(jì)的編解碼技術(shù)。AVS采用8×8的整數(shù)離散余弦變換和反變換，具有復(fù)雜度低、完全匹配等優(yōu)點(diǎn)。

2 反量化和反變換算法描述

2.1 反量化

在量化方面，AVS采用總共64級近似8階非完全周期性的量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對碼率和質(zhì)量的要求。反量化是將二維量化系數(shù)矩陣QuantCoeffMatrix轉(zhuǎn)換為二維變換系數(shù)矩陣CoeffMatrix的過程。首先確定量化參數(shù)QP，QP取值范圍為0~63，QP值越大，精度越低。

二維變換系數(shù)矩陣CoeffMatrix的元素Wij由式（1）得到

2.2 反變換

AVS定義的反變換是將8×8變換系數(shù)矩陣CoeffMatrix轉(zhuǎn)換為8×8殘差樣值矩陣ResidueMatrix的過程，需要經(jīng)過一次水平變換和垂直變換，具體步驟如下：

第一步，對變換系數(shù)矩陣（CoeffMatrix，Mc）進(jìn)行如式（2）水平反變換

H′= Mc×TT(2)

其中，T是8×8反變換矩陣，如圖1所示，TT是T的轉(zhuǎn)置矩陣，H′是水平反變換后的中間結(jié)果。

T=8101098642

894-2-8-10-10-6

86-4-10-82109

82-10-689-4-10

8-2-1068-9-410

8-6-4108-210-9

8-942-810-106

8-1010-98-64-2

圖1 AVS的反變換矩陣T

第二步，對矩陣H′中的每個(gè)系數(shù)加4再右移3位，得到矩陣H″。

第三步，對矩陣H″進(jìn)行如式（3）垂直反變換

H=T×H″ (3)

其中，H表示垂直反變換后的8×8矩陣。

第四步，對H的每個(gè)系數(shù)加26再右移7位，得到殘差樣值矩陣（ResidueMatrix，MR）。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，從可變長解碼 FIFO中讀出num經(jīng)過GET模塊得到成對的游程run和幅度 level存于2個(gè)RAM中，反量化器根據(jù)模式控制器對幅度level值進(jìn)行反量化，得到變換系數(shù)，并由存儲控制器完成串并轉(zhuǎn)換，一維反變換單元進(jìn)行一維行反變換后，其結(jié)果經(jīng)過轉(zhuǎn)置操作后并行輸出，進(jìn)行一維列反變換后，輸出殘差系數(shù)。3.1 GET模塊

負(fù)責(zé)采集可變長解碼FIFO輸入的num值存入寄存器，由addrA=base+num-1（base為已知的基地址）算出addrA的值，每給出一個(gè)addrA值都可從FIFO中得到level和run值，根據(jù)幅度run 將level寫入相應(yīng)的RAM1地址內(nèi)。地址指針上移一格后，以同樣的過程將數(shù)據(jù)寫入RAM1，共寫num次，最后將RAM1 的其他單元內(nèi)置零。RAM1 完成一個(gè)塊后以同樣的方式給RAM2 寫入。

這里，選用兩個(gè)RAM用于存放數(shù)據(jù)的好處是，在完成一個(gè)塊進(jìn)行反量化和反變換的同時(shí)，下一個(gè)塊可以采集level和run的值，節(jié)約了流水線處理時(shí)間。時(shí)序安排如圖3所示。

3.2 一維反變換單元

AVS反變換采用的像素塊為8×8大小，順序地對每個(gè)系數(shù)進(jìn)行反變換顯然難以滿足碼流速度。另外，AVS的變換系數(shù)是基于整數(shù)運(yùn)算的，所以根據(jù)W.K. Cham提出的整數(shù)余弦變換（ICT）可以降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，即通過移位運(yùn)算和加法運(yùn)算代替乘法運(yùn)算。根據(jù)上述兩點(diǎn)要求，本設(shè)計(jì)采用一維的逆整數(shù)余弦變換的反變換設(shè)計(jì)，即先對像素塊的每一行的8個(gè)變換系數(shù)做反變換，然后對像素塊的每一列作反變換。

設(shè)計(jì)時(shí)，采用通用的一維反變換單元，既能做行變換，也能做列變換，以節(jié)約硬件開銷。

4 仿真結(jié)果及分析

用Verilog語言RTL級描述實(shí)現(xiàn)了上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用ModelSim6.0進(jìn)行仿真，仿真波形如圖所示。與AVS視頻源代碼提取出的結(jié)果進(jìn)行比對，仿真結(jié)果表明采用上述結(jié)構(gòu)完全可以得到完全正確的反量化和反變換結(jié)果。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過仿真，IQ/IDCT完成一個(gè)宏塊的操作需要370個(gè)時(shí)鐘。按照4:2:0的圖像格式，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到的頻率為160MHz，占用的LUT數(shù)為5764個(gè)，較節(jié)省硬件資源。本設(shè)計(jì)充分考慮了處理速度和硬件代價(jià)，并較好改善了上述因素對解碼的影響。

參考文獻(xiàn)

［1］MA Si-wei，GAO Wen， FAN Xiao-peng. Low complexity integer transform and high definition coding［C］//Proceedings of SPIE 49th Annual Meeting，Vol 58. Aug 02-06， 2004， Denver， CO， USA. Bellingham WA，USA:SPIE Press， 2002:547-554.

［2］CHAM W -K. Development of integer cosine transforms by the principle of dyadic symmetry［J］. Communications， Speech and Vision， IEE Proceedings， 1989， 136(4):276-282.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。